Thesis (M.S. in M.S.E.)--School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, 2004. Directed by Rober Narayan. / Includes bibliographical references (leaves 85-92).

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Aerospace Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

M. Tech. Mechanical Engineering. / Shows Drape simulation software tool to simulate a digital standard for real life production of contour sensitive parts with CFRC materials in the aerospace and manufacturing industries.

Τα Σύνθετα Υλικά χρησιμοποιούνται από την αρχαιότητα αλλά η ουσιαστική τους ανάπτυξη άρχισε από τον 20ο αιώνα. Είναι πολυφασικά υλικά τα οποία μπορούν να οριστούν ως ένας συνδυασμός από δύο ή περισσότερα υλικά που είναι ευδιάκριτα με φυσικό τρόπο και εύκολα διαχωρίσιμα με μηχανικό τρόπο. Ο συνδυασμός αυτός οδηγεί στη δημιουργία ενός υλικού με ανώτερες ιδιότητες από αυτές των διακριτών συστατικών. Τα επιμέρους συστατικά δεν είναι διαλυτά το ένα στο άλλο και μπορούν να αναμιχθούν μεταξύ τους με ελεγχόμενο τρόπο και με καθορισμένες αναλογίες. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο φάσεις: τη μήτρα και τη φάση ενίσχυσης ή φάση διασποράς ή έγκλεισμα. Η μήτρα είναι αυτή που δίνει στο υλικό την ακαμψία και το σχήμα του. Μεταφέρει, επίσης, τις μηχανικές τάσεις μέσα στο σύνθετο υλικό, διατηρεί τον προσανατολισμό των συστατικών και προστατεύει τα εγκλείσματα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα εγκλείσματα διαφέρουν σε μέγεθος, γεωμετρία και σύσταση. Βρίσκονται σφηνωμένα στη μήτρα και είναι αυτά που προσδίδουν τις ιδιαίτερες ιδιότητες στο Σύνθετο Υλικό. Στη παρούσα εργασία γίνεται μια πειραματική διερεύνηση με ηλεκτρικές μεθόδους της επίδρασης νανοενισχύσεων στη μήτρα πολυμερών ινωδών σύνθετων υλικών συνεχούς ενίσχυσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν πολυμερή ινώδη σύνθετα υλικά με ενίσχυση υαλονημάτων, στη μήτρα των οποίων προσμίχθηκαν σε δύο περιπτώσεις πολυφλοιικοί νανοσωλήνες άνθρακα και πολύστρωτο γραφένιο σε συγκεντρώσεις της τάξης του 1%. Και τα δύο υλικά φημίζονται για τις εξαιρετικές ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Στη συνέχεια διενεργήθηκαν τρεις τύποι ηλεκτρικών μετρήσεων. Αρχικά διενεργήθηκαν μετρήσεις της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των υλικών υπό συνεχές ρεύμα, έπειτα διενεργήθηκαν μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας υπό την επίδραση εναλλασσόμενου ρεύματος και τέλος πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις κρουστικής υψηλής τάσης προκειμένου να ελεγχθεί η ικανότητα των πολυλειτουργικών νανοσύνθετων υλικών να φέρουν κεραυνικά ηλεκτρικά φορτία τα οποία επιφέρουν μεγάλα πλήγματα στη δομή των αεροπορικών κατασκευών. Για τις μετρήσεις της ηλεκτρικής αγωγιμότητας συνεχούς ρεύματος DC χρησιμοποιήθηκε ένα ψηφιακό πολύμετρο “Keithley DMM 2002”. Για τις μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας υπό εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε σε εύρος συχνοτήτων από 10-1Hz έως 107Hz, με χρήση της ηλεκτρικής γέφυρας Alpha-N Analyser (High resolution dielectric analyzer) της εταιρείας Novocontrol. Όλα τα εξετασθέντα δείγματα υποβλήθηκαν σε ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων. Η κυψελίδα μετρήσεων που χρησιμοποιήθηκε ήταν η BDS 1200 της ίδιας εταιρείας. Τέλος, οι μετρήσεις κρουστικής υψηλής τάσης πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων με χρήση της διβάθμιας κρουστικής γεννήτριας HAEFELY. Από την πειραματική διαδικασία και τα αντίστοιχα αποτελέσματα, που παρουσιάζονται αναλυτικά στα κεφάλαια 8 και 9 προέκυψαν τα συμπεράσματα που περιγράφονται στο κεφάλαιο 10. Συνοπτικά σημειώνεται ότι σε τρεις διαφορετικές πειραματικές διαδικασίες και σε καθεστώς διαφορετικών συνθηκών (στατική φόρτιση, εναλλασσόμενη φόρτιση και επιβολή κρουστικών τάσεων) το υλικό 1% CNT παρουσίασε σε όλες τις περιπτώσεις αισθητά καλύτερη αγώγιμη συμπεριφορά. / The Composite materials have been used since ancient times but their actual development did not start till the 20th century. These are polyphase materials which can be identified as a combination of two or more components which are distinguishable in a natural way and easily separable in a mechanical way. This combination leads to the development of a material with superior qualifies to those of distinct components. The particular components are not dissolvable but they can mix with each other when under control and in specific proportions. The composite materials are composed by two phases. The matrix and the reinforcement phase. The matrix is the one responsible for the rigidness and the shape of the material. It also transfers the mechanical stretches within the composite material, it sustains orientation of the components and protects the reinforcement phase from environmental conditions. Particulates of the reinforcement phase differ in size, geometry and composition. They are firmly located in the matrix and they are the ones to add specific qualities to the Composite. This work aims to survey experimentally through electric methods the impact of the nano-reinforcements in the matrix of fiber polymers. For this purpose fibre polymer composites with fiberglass reinforcement were used. In the matrix of these materials multi-walled carbon nanotubes και multi-layer graphene in concentration of about 1% were blended. Both materials are known for their exceptional electrical properties. Then, three types of electric conductivity measurements were carried out. Initially measurements of electric conductivity of the material was performed under dc, then measurements of electric conductivity under ac and finally there were measurements of impulse high voltage in order to check the ability of multifunctional nano-composite material to conduct thunder electric charges which may gravely afflict aeroplanes. For the specific measurements of the electric conductivity under dc, a digital polymeter “Keithley DMM 2002” was used. For the measurements under ac the method of dielectric spectroscopy was used. The electric characterization of the materials was carried out in frequency range of 10-1Hz έως 107Hz, using the Alpha-N Analyser (high resolution dielectric analyzer) of Novocontrol company. All the materials were subjected to frequency scanning of constant temperature. For this experiment the BDS 1200 device of the same company was used. Finally, the impulse high voltage measurements were performed in High Voltage Lab using the HAEFELY two stage impulse generator. The results which occurred from the experimental procedure and the respective results and which are presented in chapters 8 & 9 are described in chapter 10. In summary, it is noted that in three different experimental procedures and different status conditions (DC, AC and impulse high voltage) the material 1% CNT showed in all cases significantly better conductive behavior.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής προσεγγίστηκε το πρόβλημα της κρούσης των σύνθετων υλικών μέσω μιας συνολικής μεθοδολογίας. Ο όρος συνολική μπορεί να χαρακτηρίσει την παρούσα εργασία της διατριβής γιατί η αναλυτική και αριθμητική υλοποίηση του προβλήματος που παρουσιάσθηκε επιλύει πολλά παράπλευρα προβλήματα. Η επίλυση του προβλήματος της κρούσης χαμηλής ταχύτητας σε σύνθετα υλικά κινήθηκε σε τέσσερις φάσεις. Σε πρώτη φάση αναπτύχθηκε το κύριο εργαλείο με το οποίο εξελίσσεται η διαδικασία μοντελοποίησης του προβλήματος. Η κατάστρωση του μοντέλου επίλυσης φυσικών συχνοτήτων και η αριθμητική επίλυση αυτού δίνει εκτιμήσεις για την ακρίβεια της μεθόδου Ritz με τη χρήση των αποδεκτών συναρτήσεων p-Ritz. Η μέθοδος Ritz επιτρέπει την πλήρη μοντελοποίηση του πολύστρωτου λαμβάνοντας υπόψη και τους καμπτικούς όρους σύζευξης κάτι που μέχρι στιγμής δεν έχει παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Κατά τη δεύτερη φάση και μετά την τεκμηρίωση της πρώτης φάσης και τον έλεγχο της ακρίβειας των υπολογισμών των φυσικών συχνοτήτων, διατυπώθηκε το δυναμικό πρόβλημα. Η ακρίβεια των υπολογισμών ήταν εξαιρετική και σε ικανοποιητική σύγκλιση με τα αποτελέσματα του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LSDYNA3D. Παράλληλα αποδείχτηκε ότι το δυναμικό μοντέλο, επιλύει το δυναμικό φαινόμενο για όλα τα σχήματα και τους συνδυασμούς συνοριακών συνθηκών. Σε εξέλιξη των ανωτέρω έγινε η διατύπωση του συζευγμένου προβλήματος της κρούσης και επιλύθηκε για διάφορα υλικά και συνοριακές συνθήκες που αποτελούν μοντέλα υποδείγματα στη διεθνή βιβλιογραφία. Η ικανότητα πρόβλεψης των μοντέλων χαρακτηρίζεται ιδιαίτερα ικανοποιητική ενώ παρουσιάστηκε ο τρόπος εισαγωγής μη γραμμικών νόμων επαφής, στο συζευγμένο σύστημα διαφορικών εξισώσεων. Με σκοπό τον πλήρη χαρακτηρισμό του φαινομένου αλλά και τη μείωση των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν το πρόβλημα σε μια προσπάθεια χαρακτηρισμού των κύριων παραμέτρων που διέπουν την κρούση παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού των αδιάστατων ομάδων που περιγράφουν την κρούση. Στα πλαίσια αυτής της ανάλυσης υπολογίστηκε το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης. Το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην οργάνωση πειραμάτων χαρακτηρισμού της κρουστικής αντοχής πολύστρωτων διατάξεων. Για την επίλυση του κύριου προβλήματος προτάθηκε μια διαδικασία ιεραρχικής αντιμετώπισης του προβλήματος. Για να καθοριστεί η κρουστική απόκριση του πολύστρωτου η διάταξη υποβάλλεται σε δυναμικό και στατικό χαρακτηρισμό με τη χρήση αριθμητικών μοντέλων που βασίζονται στη μέθοδο Ritz. Υλοποιήθηκε μια μέθοδος που δύναται να επιλύει διάφορες γεωμετρίες σε ποικιλία συνοριακών συνθηκών. Στη βιβλιογραφία μέχρι στιγμής έχουν παρουσιαστεί μοντέλα για παραλληλόγραμμες πλάκες, ειδικώς ορθότροπες και σε συνοριακές συνθήκες απλής έδρασης. Υλοποιήθηκαν προγράμματα σε Fortran που επιλύουν στατικά και δυναμικά προβλήματα σε καμπτικά φορτία και για ποικίλους συνδυασμούς συνοριακών συνθηκών. Υλοποιήθηκε το συζευγμένο πρόβλημα της κρούσης πολύστρωτης διάταξης από σφαίρα (διεισδυτή) σε χαμηλές ταχύτητες Έγινε σύγκριση ελαστοπλαστικών μη γραμμικών μοντέλων επαφής με γραμμικά μοντέλα επαφής. Με τη χρήση της θεωρίας αδιαστατοποίησης καθορίστηκαν οι αδιάστατες ομάδες που διέπουν το πρόβλημα της κρούσης και δημιουργήθηκε το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης. Αποδείχτηκε ότι το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης ισχύει για οιαδήποτε συμμετρική πολύστρωτη διάταξη σε όποια συνοριακή συνθήκη και αν είναι και οιοδήποτε σχήμα πλάκας. Αποδείχτηκε ότι το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χάρτης αντοχής και ανοχής σε κρούση με τη χρήση της αδιάστατου Κατωφλιού Δύναμης για Διαστρωματική Αποκόλληση. / Low-velocity impact in composite laminates is a destructive loading condition since it leads to significant internal damage, no detectable by visual inspection. Numerous researchers have made significant efforts to model the impact response of composite plates and facilitate the analysis and design for impact resistance, using simple linear spring-mass models or a combination of continuum mechanics models and contact laws. Many investigators have used simple engineering structures beams, plates and shells to demonstrate the impact response of composite structures. The basic concept for modelling the impact of an object to a target was proposed by Timoshenko (1913). He introduced the procedure where the description of the interaction between the impactor and the structure (Euler beam) was implemented using the Hertzian contact law. This approach was further extended in isotropic plates and shells. Lee, 1940; Greszcuk, 1982; Lee et al., 1983 and Shivakumar et al, 1985, proposed simple models of the low-velocity impact problem. Although many important contributions exist in the bibliography for the characterization of the impact response of laminated plates, analytical solutions are considered to be very few. Most of the models proposed are for analyzing specially orthotropic plates subjected to a local dominated impact. In addition, these models do not take into account the shear coupling terms of the bending stiffness matrix, e.g. D16 and D26. Sun and Chattopadhyay (1975), Dobyns (1981), and Ramkumar and Chen (1983) employed the first order shear deformation theory developed by Whitney and Pagano (1970), and used it in conjunction with the Hertzian contact law or plasticity contact law for characterizing the impact of laminated composite plates. In their analysis they have studied the impact response of a simply supported orthotropic plate subjected to central impact using the lamination theory that includes transverse shear deformations. It is evident that the contact force history must be computed as part of the solution of the dynamic response problem solving the nonlinear integral equation. Christoforou and Swanson (1991) and Carvalho (1996), obtained an analytical solution of the impact problem using the Laplace transform technique. Qian and Swanson (1990) obtained analytical solutions by linearising the contact deformation law and compared this with a Rayleigh-Ritz approach with numerical integration in time. The three dimensional finite element method with an explicit formulation where also used in the dynamic analysis of laminated plates subjected to low velocity impact. Moreover, many researchers have proposed simple models for characterizing the impact phenomenon. Shivakumar et.al. (1985) developed a simple model to predict the impact force and the duration of the impact phenomenon on composite plates. The composite plates were modeled as three springs while their stiffness was calculated by the plate properties and the contact parameters. Other researchers instead of a classical Hertzian law used the statical indentation law presented by Yang and Sun (1982) and Tan and Sun (1985). The non Hertzian Contact impact was considered for combining the overall deformation of the structure to the local deformation in the contact area and was used to predict the impact response of transversely isotropic beams and plates. In general, it is impossible to obtain the exact solution for an impact problem except by ignoring the local contact deformation or pre-assuming the contact force. The first step for understanding the problem is to predict the force applied by the projectile on the structure during impact. In order to characterize the contact force history, the model should account for the motion of the target, the effective stiffness of the projectile The present work deals with the development of a numerical scheme for the calculation of the dynamic response of any type of laminated composite plates subjected to any type (and/or combination) of boundary conditions under low-velocity impact. Using the p-version Ritz polynomials any shape that can be represented in Cartesian coordinates can be formulated. The governing second order differential equations are derived and allow furnishing solutions with a variety of boundary conditions along the edges of the plate shape represented in Cartesian coordinates. Statically determined non-linear contact laws, for loading and unloading conditions, are coupled with the partial differential equations governing the dynamic response of the composite plate. These nonlinear governing equations of the contact-impact problem are decoupled according to the second order terms by the method of principal transformation and then solved numerically. The dynamic response of fully clamped cross-ply and a variation of simply support and fixed boundary conditions for angle ply and cross ply composite laminates was investigated. Rectangular, circular and elliptical plates where analysed using the developed numetrical scheme. A total analysis method is used in order to check the efficiency of the results. Starting from the homogeneous formulation of the structure the eigenfrequencies and eigenshapes were calculated for all material and boundary conditions cases. Using the “transformation of the principal” method all cases were subjected in force and pressure pulses in order to check the efficiency of the dynamic solver developed. The efficiency of the present method was investigated comparing the respective results with well-known benchmark problems, experimental results and FEM analysis using MSC-NASTRAN and LSDYNA 3D codes. Following this exhaustive analysis, the coupled contact-impact problem was formulated and numerous contact schemes were applied to the problem. For the impact problem the type of the response is intimately related to the contact stiffness, impact energy, ply thickness and orientation, geometrical configuration and boundary conditions, as well as the orthotropic material properties and the longitudinal, transverse and interlaminar strength both in compression and in tension. Three types of dynamic responses were found to exist, local, global and transitional. All types are categorised and analysed. Using Buckingham Theorem the numerous parameters of the dynamic contact-impact problem were grouped to non-dimensional groups in order to provide a flexible analysis scheme for theoretical and experimental evaluation of the low velocity impact problem. A general normalised graph for characterising the impact response of structures was constructed. The numerous advantages for analysing impact phenomena using the normalised curve developed were presented. Moreover its use for predicting composite material damage area on low velocity impact conditions was presented.

-- / One of the most important parameters that affect the mechanical response of composites is the quality of the interfacial bond between the matrix and the reinforcing material. Therefore, the aim of the present work is to investigate the effect of fatigue loading on the integrity of the interfacial bond in fibre-reinforced plastics in microscopic level using the laser Raman spectroscopy technique.

-- / --

Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέας γενιάς ινωδών σύνθετων υλικών με αυξημένη ανοχή στη βλάβη, βελτιωμένα θραυστομηχανικά και μηχανικά χαρακτηριστικά. Αυτό θα επιτευχθεί με ενίσχυση (ντοπάρισμα) της πολυμερούς μήτρας που περιβάλλει την ινώδη ενίσχυση του σύνθετου υλικού με μικρή ποσότητα –μικρότερη ή ίση του 1% κατά βάρος- νανοσωληνίσκων άνθρακα ομοιόμορφα κατανεμημένων στη μήτρα. Οι νανοσωληνίσκοι άνθρακα προσφέρουν μια εξαιρετικά μεγάλη διεπιφάνεια μήτρας-ενίσχυσης η οποία και οδηγεί στη συνέχεια το φαινόμενο της θραύσης απαιτώντας την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας για την αστοχία της διεπιφάνειας και τη διάδοση της βλάβης. Το κύριο κομμάτι της διατριβής αφορούσε τη μελέτη της επίδρασης των ΝΣΑ σε σύνθετα υλικά. Το πρώτο μέλημα ήταν εάν μπορούσαν να κατασκευαστούν νανοσύνθετα με τις κλασικές μεθόδους κατασκευής σύνθετων υλικών κάτι που πραγματοποιήθηκε με επιτυχία τόσο για τα σύνθετα με ενισχυτική φάση τις ίνες άνθρακα σε δύο διαφορετικές αλληλουχίες στρώσεων όσο και για τις ίνες κέβλαρ. Καταλήγοντας συμπεραίνουμε πως η κατασκευή νανοσύνθετων υλικών είναι εφικτή με τις ήδη υπάρχουσες κατασκευαστικές μεθόδους. Τα νανοσύνθετα έχουν να επιδείξουν ανώτερες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τα απλά σύνθετα ιδιαίτερα στα φαινόμενα της θραύσης και της κόπωσης κάτι το ιδιαίτερα σημαντικό για την εφαρμογή τους σε δομικά τμήματα κατασκευών από σύνθετα υλικά. Επιπλέον είναι δυνατό να αποτελέσουν τη βάση για τα σύνθετα υλικά της επόμενης γενιάς μέσω των πολύπλευρων ιδιοτήτων που μπορούν να προσδώσουν (multifunctionality) όπως επισκόπηση της αναπτυσσόμενης βλάβης σε πραγματικό χρόνο μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων απόκρισης και αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας. / The aim of the current PhD thesis was realised during 2004-2008 at University of Patras, Grece, in the Dept. of Mechanical & Aeronautical Engineering at the Applied Mechanics Laboratory under the supervision of Prof. V. Kostopoulos was to investigate and optimise the reinforcing effect of Multi Wall Carbon Nanotubes (MWCNTs) on a typical aerospace carbon reinforced epoxy composite. The main conclusions/findings of this PhD thesis are summarized below: • The dispersion protocol of MWCNTs onto a typical aerospace resin using a mechanical device was established. • Different techniques were investigated such as to improve the dispersion of the CNTs into the matrix material. • The reinforcing effect of MWCNTs onto a typical aerospace resin was investigated and optimized at 0.5 w.t. % using a high shear mixing device i.e. torus mill. • The CNT-enhanced aerospace resin was successfully used for the manufacturing of two CFRPs lay-ups (UD and Quasi). The nano-reinforced panels exhibited a higher tensile modulus, a 60% increased on fracture toughness, increased fatigue life and even though no significant increase was noted on the low velocity impact properties the effective compressive modulus after fatigue and the fatigue life after impact was also enhanced. The aforementioned reinforcement is attributed to the extra energy that the CNTs anticipate in order to be broken or pulled-out of the matrix material • The CNT-enhanced aerospace resin was successfully used for the manufacturing of Kevlar reinforced composite panels. The nano-reinforced panels exhibited a higher tensile modulus and a significant increase on the fracture toughness properties. • MWCNTs were successfully grafted on typical aerospace carbon fibres in order to manufacture a reinforcement incorporating two scales i.e. both micro and nano.

No description available.

Thesis (M.Tech.: Mechanical Engineering)-Dept. of Mechanical Engineering, Durban University of Technology, 2007 xiii, 101 leaves / Polymer nanocomposites may be defined as structures that are formed by infusing layered-silicate clay into a thermosetting orthermoplastic polymer matrix. The nanocomposites are normally particle-filled polymers for which at least one dimension of the dispersed particles is in nanoscale. These clay-polymer nanocomposites have thus attracted great interest in industry and academia due to their exhibition of remarkable enhancements in material properties when compared to the virgin polymer or conventional micro and macro-composites. The present work describes the synthesis, mechanical properties and morphology of nano-phased polypropylene structures. The structures were manufactured by melt- blending low weight percentages of montmorillonite (MMT) nanoclays (0.5, 1, 2, 3, 5 wt. %) and polypropylene (PP) thermoplastic. Both virgin and infused polypropylene structures were then subjected to quasi-static tensile tests, flexural tests, micro-hardness tests, impact testing, compression testing, fracture toughness analysis, dynamic mechanical analysis, tribological testing. Scanning electron microscopy studies were then conducted to analyse the fracture surfaces of pristine PP and PP nanocomposite. X-ray diffraction studies were performed on closite 15A clay and polypropylene composites containing 0.5, 1, 2, 3 and 5 wt. % closite 15A nanoclay to confirm the formation of nanocomposites on the addition of organo clays. Transmission electron miscopy studies were then performed on the PP nanocomposites to determine the formation of intercalated, exfoliated or agglomerated nanoclay structures. Analysis of test data show that the mechanical properties increase with an increase in nanoclay loading up to a threshold of 2 wt. %, thereafter the material properties degrade. At low weight nanoclay loadings the enhancement of properties is attributed to the lower percolation points created by the high aspect ratio nanoclays. The increase in properties may also be attributed to the formation of intercalated and exfoliated nanocomposite structures formed at these loadings of clay. At higher weight loading, degradation in mechanical properties may be attributed to the formation of agglomerated clay tactoids. Results of XRD, transmission electron microscopy studies and scanning electron microscopy studies of the fractured surface of tensile specimens verify these hypotheses.